有氧运动对焦虑模型大鼠行为学的影响

有氧运动对焦虑模型大鼠行为学的影响

王一民， 池爱平， 刘凤君， 熊正英*

(陕西师范大学 体育学院， 陕西 西安 710119)

摘要：为证明有氧运动对焦虑模型大鼠行为的良性作用，将焦虑模型大鼠分为模型有氧运动恢复组和模型恢复组2组，分别进行4周有氧运动恢复和非有氧运动恢复，测试大鼠行为学指标。结果显示:经过4周的有氧运动恢复，模型有氧运动恢复组大鼠行为学指标均恢复到正常水平，与安静组相比较无显著性差异(P>0.01)；模型恢复组行为学指标虽有所改善，但与安静组相比仍具有显著性差异(P<0.01);模型有氧运动恢复组大鼠行为学指标的恢复效果，与模型恢复组比较均具有显著性差异(P<0.01)。结果表明，焦虑应激使大鼠行为学指标负向改变,有氧运动使焦虑模型大鼠行为学指标趋于正常，运动能力增强，而非有氧运动的模型恢复组各项指标改善效果较差。

关键词:焦虑应激； 有氧运动； 行为学； 大鼠

中图分类号:G804.8 文献标志码: A

Ethological effects of aerobic exercise on anxious model rats

WANG Yimin, CHI Aiping， LIU Fengjun， XIONG Zhengying*

(School of Physical Education, Shaanxi Normal University，Xi′an 710119，Shaanxi, China)

Abstract:In order to prove the positive ethological effects of aerobic exercise on anxious model rats, the anxious model rats were adopted in the experiment and the rats were separated into two groups (recovering model group with aerobic exercise, and recovering model group). After four-week respective recover with aerobic exercise and non-aerobic exercise, the ethological indicator were tested. The results show that the ethological indicator of the recovering model group with aerobic exercise returned to normal level after four weeks, and had no significant difference comparing with calm model rats (P>0.01).While the ethological indicator of the recovering model group had improved but still had significant difference comparing with calm model rats (P<0.01).Furthermore, significant difference was also found between the ethological indicator of the recovering model group with aerobic of the rats exercise and the recovering model group (P<0.01). The results demonstrate that anxious stress can cause negative change on ethological indicator of rats, aerobic exercise lead the ethological indicator of anxious model rats to normal level, and enhance their athletic ability. However， the recovering model group with non-aerobic exercise has poor improvement on ethological indicator.

Key words: anxious stress; aerobic exercise; ethology; rats

药物对焦虑大鼠行为学的影响已有广泛研究[1-4]，而有氧运动对其行为学的影响报道尚少见。焦虑动物模型大鼠在探究焦虑障碍的病因、发病机制以及新药研发等方面发挥着重要作用，而动物行为学的表现既是评价模型是否成功的一项标准，也是评价药物及有氧运动干预效果的参考指标。本研究采用慢性情绪应激的方法建立焦虑大鼠模型，通过测定大鼠在高架十字迷宫实验、敞箱实验和跑台力竭实验中行为学指标的变化，探讨有氧运动的作用效果，为机体通过有氧运动缓解焦虑情绪提供实验支持。

1 材料与方法

1.1动物分组

SD雄性健康大鼠30只，体重180~220 g，由西安交通大学医学院实验动物中心提供。国家标准啮齿类动物干燥饲料喂养，自由饮食，动物室温度23±5 ℃，相对湿度40%~70%。自由饮食适应1周后开始实验。分造模期21 d，恢复期28 d，共计49 d。造模期将大鼠随机分为安静组 (A组，10只)和模型组(M组，20只)，A组自由饮食至49 d作为安静对照至恢复期结束。同期M组先进行为期21 d的焦虑模型刺激，自第22 d开始将M组随机分为2组，即模型恢复组 (MH组，10只)、模型运动组(MY组10只)。MH组大鼠不进行有氧运动，MY组大鼠进行有氧运动，均至49 d。

1.2造模

本实验参照相关文献[5-7]进行造模，主要采用不可预知的情绪应激刺激方法来进行焦虑模型的造模。主要包括：捆绑固定、群体接触实验、猫暴露实验、猫味实验、猫味隐蔽实验、禁水、禁食、24 h光照、24 h黑暗、24 h饲养笼倾斜等10种应激刺激方法。每天采用一种应激方式，连续21 d。本研究造模经过21 d慢性不可预知的焦虑心理应激刺激，与安静对照组相比，模型组大鼠饮食量明显降低，体重增长缓慢，敞箱实验和高架十字迷宫实验证实，大鼠探究性显著下降。模型组5-HT、多巴胺(Dopamine，DA)含量明显高于安静对照组，而γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid ，GABA)的含量却明显低于安静对照组。大鼠行为学和神经递质含量变化说明焦虑模型造模成功[8]，关于造模研究的详细内容另文报道[9]。

1.3恢复干预

A组、MH组、MY组大鼠在22~49 d内自由饮食,A组、MH组大鼠自由活动,而MY组大鼠进行有氧运动恢复，为了控制运动强度，本实验运动在动物跑台上进行(跑台为中国杭州段氏电动跑台)，控制参数包括速度、坡度、运动时间和最大摄氧量(Maximal Oxygen Consumption，VO2max)。各组恢复方案见表1。

表1 MY组有氧运动恢复方案

*MY组第二周运动方案依次是：第1~3天运动时间为10 min，运动速度为10 m/min; 第4~6天运动时间为15 min,运动速度为15 m/min; 第7天运动时间为20 min，运动速度为20 m/min。

1.4指标测定

行为学指标测定：行为学指标主要通过高架十字迷宫实验、敞箱实验中测定，同时测定实验大鼠的清洁次数和粪便颗粒[10-11]。

最大摄氧量与运动强度：有关运动强度和运动中最大摄氧量的对应关系见文献[12-15]。

力竭时间测定：A组、MH组大鼠自实验的46 d开始进行3 d的跑台适应性练习，速度为10 m/min，时间为每天10 min。在实验的第49 d，各组大鼠进行跑台力竭实验，运动速度20 m/min，运动持续致力竭[16]。力竭判断标准：动物不能按照预定的速度，大鼠臀部压在笼具后壁，后肢随转动皮带后拖达30 s，毛刷刺激驱赶无效，行为特征为呼吸深急、幅度大，神情疲倦，俯卧位，垂头，刺激后无反应[17-19]。

1.5数据处理

实验数据运用Microsoft Excel及SPSS 18.0软件进行处理，结果以平均数±标准差表示，数据进行组间单因素方差分析。

2 结果分析

2.1敞箱实验

2.1.1敞箱实验垂直运动次数和水平运动次数变化对于不同恢复时间的大鼠分别测定在3 min内的垂直和水平运动次数(见表2)。MH组与A组垂直运动次数在0、7、14、21和28 d均有极显著性差异(P<0.01)。MH组和MY组垂直运动次数在14、21和28 d时有极显著性差异(P<0.01)，MY组与A组垂直运动次数在28 d时无显著性差异(P>0.05)。MH组大鼠敞箱实验水平运动次数相对于A组在0、7、14、21和28 d均有极显著性差异(P<0.01)，MH组和MY组水平运动次数在14、21和28 d时有极显著性差异(P<0.01)。MY组相对于A组垂直运动次数在0、7 d时有极显著性差异(P<0.01)，而在14、21 d时有显著性差异(P<0.05)，在28 d时无显著性差异(P>0.05)。

表2 大鼠敞箱实验中垂直运动次数和水平运动次数

注:与A组比较，*：P<0.05，**：P<0.01；与MH组相比，#：P<0.05，##：P<0.01；变化率(%)=(MY组次数-MH组次数)/MH组次数×100(下同)；增加量为28 d与0 d的差值(下同)；上升率(%)=(28 d值-0 d值)/0 d值×100.

2.1.2敞箱实验中清洁次数和粪便颗粒的变化对于不同恢复时间大鼠分别测定在3 min内清洁次数和粪便颗粒(见表3)。MH组大鼠敞箱实验中清洁次数与A组比较，0、7、4、21和28 d时均有极显著性差异(P<0.01)，MH组与MY组相比在7、14、21和28 d时有极显著性差异(P<0.01)。MY组大鼠敞箱实验中清洁次数与A组比较，0、7和14 d时有极显著性差异(P<0.01)，21 d和28 d时无显著有差异(P>0.05)；MH组大鼠敞箱实验中粪便颗粒与A组比较，0、7、4、21和28 d时均有极显著性差异(P<0.01)，MH组相对于MY组在14、21和28 d时有显著性差异(P<0.05)。MY组大鼠敞箱实验中粪便颗粒与A组比较，0、7、4、21 d时均有极显著性差异(P<0.01)，在28 d有显著性差异(P<0.05)。

表3　大鼠敞箱实验中清洁次数和粪便颗粒

注:与A组相比，*：P<0.05，**：P<0.01；与MH组相比，#：P<0.05，##P<0.01。

2.2高架十字迷宫实验

2.2.1高架十字迷宫实验中运动时间的变化于有氧运动恢复28 d时分别测定不同组别实验大鼠在高架十字迷宫实验中运动总时间、开臂时间、闭臂时间和中央区运动时间，结果见表4。MH组大鼠28d时高架十字迷宫实验中开臂时间、闭臂时间与A组比较，有极显著性差异(P<0.01)，运动总时间、中央区运动时间无显著性差异(P>0.05)；MY组高架十字迷宫实验中运动总时间、开臂时间、闭臂时间和中央区运动时间与A组比较，均无显著性差异(P>0.05)。MY组大鼠高架十字迷宫实验中开臂时间、闭臂时间与MH组比较，有极显著性差异(P<0.01)，运动总时间、中央区运动时间无显著性差异(P>0.05)。

表4　大鼠高架十字迷宫实验中运动时间

注:与A组相比，* ：P<0.05，**：P<0.01；与MH组相比，#：P<0.05，##：P<0.01。

由见表4可知，MY组大鼠与MH组比较，运动总时间延长7.07 s(增加2.46%)，开臂时间延长39.98 s(增加27.50%)，闭臂时间缩短30.84 s(下降28.49%)，中央区时间缩短多2.27 s(下降6.19%)。

2.2.2高架十字迷宫实验中运动距离的变化于有氧运动恢复28 d时分别测定不同组别实验大鼠在高架十字迷宫实验中运动距离、开臂距离、闭臂距离和中央区距离见表5。MH组大鼠28 d时高架十字迷宫实验中运动距离、开臂距离、闭臂距离和中央区距离与A组比较，均有显著性差异(P<0.05)。MY组大鼠架十字迷宫实验中运动距离、开臂距离、闭臂距离和中央区距离与A组比较，均无显著性差异(P>0.05)。MY组大鼠高架十字迷宫实验中运动距离、开臂距离与MH组比较，有极显著性差异(P<0.05)，闭臂距离和中央区距离有显著性差异(P<0.05)。

表5 大鼠高架十字迷宫实验中运动距离

注:与A组相比，*：P<0.05，**：P<0.01.与MH组相比，#：P<0.05，##P<0.01。

由表5可知，MY组大鼠与MH组比较，运动总距离延长171.09 cm(增加12.96%)，开臂距离延长242.63 cm(增加33.11%)，闭臂距离缩短91.03 cm(下降19.52)，中央区距离延长19.49 cm(16.10%)。

2.2.3高架十字迷宫实验中进入各臂次数的变化于有氧运动恢复28 d时分别测定在3 min内不同组别实验大鼠在高架十字迷宫实验中进入总次数、开臂次数和闭臂次数见表6。MH组大鼠28 d时高架十字迷宫实验中进入总次数、开臂次数和闭臂次数与A组和MY组比较，分别为无显著性差异(P>0.05)、极显著性差异(P<0.01)和极显著性差异(P<0.01)。MY组大鼠高架十字迷宫实验中进入总次数、开臂次数和闭臂次数与A组比较，分别为无显著性差异(P>0.05)，有显著性差异(P<0.05),有极显著性差异(P<0.01)。

表6　高架十字迷宫实验结果

注:与A组相比，*：P<0.05，**：P<0.01；与MH组相比，#：P<0.05，##：P<0.01.

由表6可知,MH组大鼠与MY组比较，总次数减少1.03次(下降5.14%)，开臂次数增加3.21次(升高41.91%)，闭臂次数减少4.24次(下降34.28%)。

2.3跑台运动至力竭的时间的变化

于有氧运动恢复28 d时分别测定不同组别实验大鼠跑台运动至力竭时间，A组为91.83±2.12 min，MH组为60.82±1.78 min，MY组为95.46±6.48 min。与A组比较，MH组大鼠运动至力竭力竭时间缩短31.01 min，下降50.98%且有极显著性差异(P<0.01)；MY组大鼠跑台运动至力竭时间延长3.63 min，无显著性差异(P>0.05)。MY组大鼠跑台运动至力竭时间与MH组比较，延长34.64 min，上升56.95%，有显著性差异(P<0.05)。

3 讨论

3.1焦虑模型的评价

评估动物模型通常有3个效度，即表面效度、结构效度和预测效度。表面效度指动物模型中动物的情绪体现和人类相应的情绪表现拥有相似性，例如，在焦虑动物模型中，动物表现的频繁修饰，排尿、排便次数增多，探究行为下降，社会接触减少，可以模拟人类焦虑反应时的防御障碍。

结构效度是测量情绪障碍的相应感觉，以及情绪障碍的行为和生理反应特征。其反映了动物模型应该和人类的情绪障碍具备相似的原因，相似的行为反应和共同的神经生物学机制。预测效度主要指模型对于相应情绪障碍有效的经典药物的反应性[14]。

另有研究发现，当动物处于焦虑状态时，将展示一系列的特定行为和生理反应，包括行为的抑制、沉闷、逃避、心率、尿、血浆皮质醇水平的升高。高架十字迷宫为国际上公认的测试动物焦虑行为的首要装置，主要通过动物进入开臂和闭臂的时间和次数来评价动物是否焦虑。20多年来的实践证明，高架十字迷宫是一个简单、快速、结果重复性好的焦虑检测模型。

敞箱实验通过动物进入中央区和其他不同区域的实验设计来进行动物致焦虑的评价。目前的研究表明焦虑与GABA、5-HT、DA等神经递质有很大的关联，并认为这三种神经递质是导致焦虑产生的神经机制。实验研究证明焦虑与大脑中5-HT、DA、GABA的含量变化有关，5-HT、DA含量升高导致焦虑，GABA含量降低也会导致焦虑。本研究造模经过21 d慢性不可预知的焦虑心理应激刺激,通过敞箱实验和高架十字迷宫实验证实，大鼠探究性显著下降，模型组5-HT、DA含量明显高于安静对照组，而GABA的含量却明显低于安静对照组。从大鼠行为学和神经递质含量变化说明焦虑模型造模成功[8]。

3.2有氧运动对焦虑模型大鼠行为学的影响

目前，多数研究通过观察大鼠行为学的表现来反映其心理、情绪、认知等方面的改变，本研究采用敞箱实验和高架十字迷宫实验来评估模型大鼠焦虑程度。在敞箱实验中，常用垂直运动次数、水平运动次数、清洁次数和粪便颗粒数来判别大鼠的焦虑程度。垂直运动反映大鼠的探究行为，即对新奇环境的好奇程度，水平运动反映大鼠的活动程度，大鼠在焦虑状态下通常表现出自由活动程度降低和探究行为减弱。

在造模阶段(恢复期的0 d)，大鼠在经过21 d的焦虑心理刺激后，敞箱实验中表现出模型组大鼠垂直运动和水平运动均较A组显著减少，说明本实验大鼠在进行21 d的焦虑心理刺激后，表现出明显的焦虑症状。清洁次数反映大鼠的自主活动程度和对新奇环境的警觉性，粪便颗粒数反映大鼠对新奇环境的恐惧程度，在焦虑状态下，大鼠表现出自主活动程度降低、对新奇环境敏感度、恐惧性增强和胃肠功能紊乱等特点，所以导致清洁次数减少，粪便颗粒数增多。经过4周的有氧运动恢复，A组和MY组大鼠粪便颗粒干燥且成黑褐色正常颗粒，而MH组大鼠的粪便多比较稀，呈颗粒状且颗粒之间有白色黏性物粘连。分析认为该现象可能是由于焦虑心理刺激造成模型组大鼠处于一种持续的恐惧状态，造成食欲不振和机体肠胃功能紊乱所致，经过4周恢复仍未达到正常水平。

在高架十字迷宫实验中，常用运动总时间、开臂中运动时间、闭臂中运动时间、运动总距离、开臂中运动距离、闭臂中运动距离、进入开臂次数，进入闭臂次数等指标来评价大鼠的焦虑程度。在开臂中的运动时间、运动距离及运动次数反映大鼠的探究行为，总运动距离反映大鼠的自主运动活性。大鼠在焦虑状态下自主活动减弱，探究性减弱，高架十字迷宫实验表现为总运动时间不变的情况下，开臂中运动时间明显减少，闭臂运动时间增加，总运动距离减少，且在开臂中的运动距离明显少于在闭臂中的运动距离，总进臂次数不变时大鼠进入开臂的次数明显少于进入闭臂的次数。本实验中21 d时的高架十字迷宫实验结果与此相符，说明模型组大鼠在经过21 d的焦虑心理刺激后，表现出明显的焦虑症状。经过4周的有氧运动恢复，MY组敞箱实验和高架十字迷宫实验中各项焦虑相关指标均恢复到正常水平，与A组相比较无显著性差异；而MH组在21 d焦虑心理刺激后，不再进行任何干预，自由恢复4周，其各项焦虑行为相关指标虽有所改善，但与A组相比差异仍具有显著性，说明有氧运动具有明显的抗焦虑作用。

同时与A组比较，MY组大鼠跑台运动至力竭的时间延长3.63 min，MH组则缩短31.01 min；MH组与MY组比较，MH组大鼠运动至力竭的时间缩短34.64 min，降低幅度为56.95%。说明MH组大鼠焦虑状态未能很好消除，导致运动能力较差；而通过有氧运动，焦虑状态得到缓解或消除，MY组大鼠运动能力可达到或超过A组水平。

4结论

焦虑应激使大鼠的行为学指标负向改变。有氧运动使焦虑模型大鼠行为学指标恢复正常，运动能力增强。实验结果表明，适宜的有氧运动有利于促进焦虑应激的缓解或解除。

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〔责任编辑 李博〕